利用濕敏材料對水分子的吸附能力或對水分子產生物理效應的方法測量濕度的元件。有關濕度測量,早在16世紀就有記載。許多古老的測量方法,如幹濕球溫度計、毛髮濕度計和露點計等至今仍被廣泛採用。現代工業技術要求高精度、高可靠和連續地測量濕度,因而陸續出現瞭種類繁多的濕敏元件。
分類
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電解質濕敏元件 利用潮解性鹽類受潮後電阻發生變化制成的濕敏元件。最常用的是電解質氯化鋰(LiCl)。從1938年頓蒙發明這種元件以來,在較長的使用實踐中,對氯化鋰的載體及元件尺寸作瞭許多改進,提高瞭響應速度和擴大測濕范圍。氯化鋰濕敏元件的工作原理是基於濕度變化能引起電介質離子導電狀態的改變,使電阻值發生變化。結構形式有頓蒙式和含浸式。頓蒙式氯化鋰濕敏元件是在聚苯乙烯圓筒上平行地繞上鈀絲電極,然後把皂化聚乙烯醋酸酯與氯化鋰水溶液混合液均勻地塗在圓筒表面上制成,測濕范圍約為相對濕度30%。含浸式氯化鋰濕敏元件是由天然樹皮基板用氯化鋰水溶液浸泡制成的。植物的髓脈具有細密的網狀結構,有利於水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式濕敏元件,采用兩種不同濃度的氯化鋰水溶液浸泡多孔無堿玻璃基板(孔徑平均500埃),可制成測濕范圍為相對濕度20~80%的元件。
氯化鋰元件具有滯後誤差較小,不受測試環境的風速影響,不影響和破壞被測濕度環境等優點,但因其基本原理是利用潮解鹽的濕敏特性,經反復吸濕、脫濕後,會引起電解質膜變形和性能變劣,尤其遇到高濕及結露環境時,會造成電解質潮解而流失,導至元件損壞。
高分子材料濕敏元件
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金屬氧化物膜濕敏元件 許多金屬氧化物如氧化鋁、四氧化三鐵、鉭氧化物等都有較強的吸脫水性能,將它們制成燒結薄膜或塗佈薄膜可制作多種濕敏元件。把鋁基片置於草酸、硫酸或鉻酸電解槽中進行陽極氧化,形成氧化鋁多孔薄膜,通過真空蒸發或濺射工藝,在薄膜上形成透氣性電極。這種多孔質的氧化鋁濕敏元件互換性好,低濕范圍測濕的時間響應速度較快,滯後誤差小,常用於高空氣球上測濕。四氧化三鐵膠體的優點是固有電阻低,長期置於大氣環境表面狀態不會變化,膠體粒子間相互吸引粘結緊密等。它是一種價廉物美,較早投入批量生產的濕敏元件,在濕度測量和濕度控制方面都有大量應用。
金屬氧化物陶瓷濕敏元件 將極其微細的金屬氧化物顆粒在高溫1300℃下燒結,可制成多孔體的金屬氧化物陶瓷,在這種多孔體表面加上電極,引出接線端子就可做成陶瓷濕敏元件。濕敏元件使用時必須裸露於測試環境中,故油垢、塵土和有害於元件的物質(氣、固體)都會使其物理吸附和化學吸附性能發生變化,引起元件特性變壞。而金屬氧化物陶瓷濕敏元件的陶瓷燒結體物理和化學狀態穩定,可以用加熱去污方法恢復元件的濕敏特性,而且燒結體的表面結構極大地擴展元件表面與水蒸氣的接觸面積,使水蒸氣易於吸著和脫去,還可通過控制元件的細微構造使物理性吸附占主導地位,獲得最佳的濕敏特性。因此陶瓷濕敏元件的使用壽命長、元件特性穩定,是目前最有可能成為工程應用的主要濕敏元件之一。陶瓷濕敏元件的使用溫度為0~160℃。
在諸多的金屬氧化物陶瓷材料中,由鉻酸鎂-二氧化鈦固溶體組成的多孔性半導體陶瓷是性能較好的濕敏材料,它的表面電阻率能在很寬的范圍內隨著濕度的變化而變化,而且能在高溫條件下進行反復的熱清洗,性能仍保持不變。圖3為這種陶瓷濕敏元件結構。
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熱敏電阻式濕度傳感器 利用熱敏電阻作濕敏元件。傳感器中有組成橋式電路的珠狀熱敏電阻R1和R2,電源供給的電流使R1、R2保持在200℃左右的溫度(圖4)。其中R2裝在密封的金屬盒內,內部封裝著幹燥空氣,R1置於與大氣相接觸的開孔金屬盒內。將R1先置於幹燥空氣中,調節電橋平衡,使輸出端A、B間電壓為零,當R1接觸待測含濕空氣時,含濕空氣與幹燥空氣產生熱傳導差,使R1受冷卻,電阻值增高,A、B間產生輸出電壓,其值與濕度變化有關。熱敏電阻式濕敏傳感器的輸出電壓與絕對濕度成比例,因而可用於測量大氣的絕對濕度。傳感器是利用濕度與大氣導熱率之間的關系作為測量原理的,當大氣中混入其他特種氣體或氣壓變化時,測量結果會有程度不同的影響。此外,熱敏電阻的位置對測量也有很大影響。但這種傳感器從可靠性、穩定性和不必特殊維護等方面來看,很有特色,現已用於空調機濕度控制,或制成便攜式絕對濕度表、直讀式露點計、相對濕度計、水分計等。
紅外線吸收式濕度傳感器
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式中I0為光源光強度,I為光敏元件處的光強度,ε為吸收系數,c為待測含水蒸氣的濃度,l為光路長度。根據光強度的變化,將光敏元件上的信號處理後可獲得正比於水蒸氣濃度 c的電信號。紅外線吸收式濕度傳感器屬非水分子親和力型濕敏元件,測量精度和靈敏度較高,能夠測量高溫或密封場所的氣體濕度,也能解決其他濕度傳感器不能解決的大風速或通風孔道環境中的濕度測量問題。缺點是結構復雜,光路系統存在溫度漂移現象。
微波式濕度傳感器 利用微波電介質共振系統的品質因數隨濕度變化的機理制成的傳感器。微波共振器采用氧化鎂-氧化鈣-二氧化鈦陶瓷體,共振器與耦合環構成共振系統,含水蒸氣的氣體進入傳感器腔體後改變原共振系統的品質因數,其微波損失量與濕度成線性關系。這種傳感器的測濕范圍為相對濕度 40~95%,在溫度0~50℃時,精度可達 ±2%。微波式濕度傳感器具有非水分子親和力型濕敏元件的優點,又由於采用陶瓷材料作共振系統,故可加熱清洗,且堅固耐用。缺點是對微波電路穩定性要求甚高。
超聲波式濕度傳感器 超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關,利用這一特性可制成超聲波式濕度傳感器。傳感器由超聲波氣溫計和鉑絲電阻測溫計組成,前者的測量數據與濕度有關,後者的測量數據隻與溫度有關,按照超聲波在幹燥空氣和含濕空氣中的傳播速度可計算出空氣的絕對濕度。超聲波濕度傳感器有很多優點,它的測濕數據比較準確,響應速度快,可以測出某一極小范圍的絕對濕度而不受輻射熱的影響。這種傳感器尚處於研制階段。
濕敏元件的應用 濕敏元件的應用領域很廣。濕度的控制對許多生產過程都十分重要。如纖維、紙張、感光膠片、光學玻璃、熱壓件、電子元件、精密機械零件以及煙、茶、餅幹等產品的生產和儲藏對濕度條件都有嚴格的要求。農業上如溫室作物栽培、谷物和水果儲藏、養雞場和養豬場等也都需要濕度控制。此外,如空調房間的濕度調節、洗衣幹燥機的自控、磁帶錄像機和汽車窗玻璃的防止結露、尿佈沾濕報警等也都要用到濕敏元件。
參考書目
徐同舉編著:《新型傳感器基礎》,機械工業出版社,北京,1987。